CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Lý do chọn đề tài Lưu chất điện từ (MRF) là một vật liệu thông minh (smart materials), cụ thể hơn là lưu chất thông minh (smart fluid), trong những năm gần đây được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Lưu chất điện từ là hỗn hợp dung dịch gồm các phần tử có từ tính cao hòa trộn trong một chất lỏng nền (thường là dầu thực vật). Ở trạng thái bình thường, các phần tử từ tính phân bố tự do trong chất lỏng nền và dung dịch lưu chất điện từ ứng xử tương tự như chất lỏng nền (thường là lưu chất Newton). Khi lưu chất điện từ được đặt trong từ trường, các phần tử từ tính bị từ hóa và có khuynh hướng sắp xếp dọc theo phương đường sức từ trường, lúc này lưu chất điện từ gần như hóa rắn làm cản trở dòng chảy.
Quá trình này xảy ra rất nhanh (10ms) và thuận nghịch. Với khả năng đặc biệt này, lưu chất điện từ đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: li hợp, giảm chấn, phanh, van, robot … Trong các nghiên cứu và ứng dụng của của lưu chất MRF, phanh lưu chất MRF được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất với rất nhiều ứng dụng tiềm năng trong nền khoa học kỹ thuật hiện đại. Do vậy, gần đây có rất nhiều nghiên cứu về phát triển các loại phanh MRF mới với các tinh năng ưu việt hơn như mô men phanh lớn hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn, dễ chế tạo và bảo dưỡng hơn. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về phát triển nhiều kiểu phanh lưu chất MRF khác nhau, tuy nhiên trong các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào kết cấu hình học của võ phanh, số cuộn dây sử dụng để tạo ra từ trường làm việc mà chưa xem xét đến hình dáng hình học của đĩa phanh (hoặc trống phanh đối với phanh tang trống).
Do vậy, trong nghiên cứu này, sẽ tập trung phát triển một thế hệ phanh mới với bề mặt đĩa phanh (trống phanh) có dạng hình zigzag với mong muốn sẽ tạo ra các kiểu phanh MRF mới với nhiều tính năng ưu việt hơn.2 Tính cấp thiết của đề tài Nghiên cứu này sẽ tập trung phát triển cơ cấu phanh MRF mới có đường sức từ trường theo đường zig zag (được gọi là phanh MRF zigzag). Nội dung luận văn bao gồm từ việc đề xuất cấu hình, thiết kế cho đến giai đoạn thực nghiệm kiểm tra tính năng và đáp ứng của phanh nhằm để ứng dụng vào thực tiễn. Cơ cấu phanh MRF mới dự kiến sẽ có các đặc tính kỹ thuật như mô men phanh, kích thước và khối lượng phanh tốt hơn so với các dạng phanh MRF trước đây. Nghiên cứu này sẽ tập trung giải quyết các vấn đề sau: • Xem xét ảnh hưởng kích thước và hình dạng của biên dạng đối với tính năng của phanh nhằm giải quyết các vấn đề chưa được xem xét đầy đủ trong nghiên cứu.
• Đề xuất một kết cấu phanh sử dụng đĩa phanh (trống phanh) có từ thông theo đường zigzag, đánh giá các phanh được đề xuất bằng kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm. Trong nghiên cứu này, rất nhiều hình dạng đĩa/trống phanh khác nhau được đề xuất và phát triển dựa trên cả tính toán mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm. Các hình dạng đĩa/trống phanh được đề hai tiêu chí cơ bản là sự phân bố đồng đều của từ trường và sự đa cực từ (các cặp cực từ đối ứng giữa đĩa phanh và vỏ phanh) nhằm tối đa từ trường đi ngang qua rãnh lưu chất MRF. Nghiên cứu thành công sẽ có ý nghĩa to lớn về mặt khoa học và thực tiễn.
Nghiên cứu sẽ cho ra đời một thế hệ phanh MRF mới với hình dạng đĩa phanh/trống phanh khác nhau với những tính năng vượt trội so với các phanh MRF trước đây như kích thước nhỏ hơn, mô men phanh lớn hơn, công suất tiêu thụ nhỏ hơn. Bên cạnh đó, hình dạng học tối ưu của đĩa/trống phanh cũng được nghiên cứu thông qua việc áp dụng các thuật toán tối ưu toàn cục tiên tiến sẽ được đề xuất trong nghiên cứu này. Cùng với việc các tính năng về mô men, khối lượng, kích thước và công suất tiêu thụ của phanh MRF được cải tiến, sẽ có nhiều ứng dụng tiềm năng của phanh MRF được xem xét trong các ứng dụng thực tế như: ô tô, xe máy, rô bốt, hệ thống phản hồi lực, hệ thống hỗ trợ người tàn tật và phục hồi chức năng… 2 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một kiểu phanh MRF mới với bề mặt đĩa phanh (trống phanh) có dạng hình zigzag với nhiều tính năng ưu việt hơn các loại phanh trước đây như mô men phanh lớn hơn, khối lượng phanh nhỏ gọn hơn, công xuất tiêu thụ thấp hơn.1 Mạch từ đơn giản dạng zigzag 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu • Phanh lưu chất MRF dạng đĩa với đường sức từ trường zigzag. • Thiết kế tối ưu phanh dùng phần mềm ANSYS.
• Thực nghiệm đánh giá phanh mẫu.2 Phạm vi nghiên cứu • Chỉ nghiên cứu phanh lưu chất MRF dạng đĩa có tốc độ quay 120 (vòng/s). • Chỉ sử dụng lưu chất MRF thương mại được chế tạo bởi công ty Lord. • Giả định lưu chất MRF-132DG tuân theo ứng xử lưu chất Bingham. • Không xét đến động lực học của phanh và đĩa quay.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1.1 Cách tiếp cận • Tổng hợp các nghiên cứu trước đây về phanh MRF, từ đó tìm ra các ưu điểm và hạn chế của các phanh trước đây.
Từ việc phân tích và đánh giá các ưu nhược điểm này, đề xuất một cấu hình phanh mới vừa kế thừa các ưu điểm của phanh trước đây, vừa khắc phục được các nhược điểm còn tồn tại. 3 • Tính toán tối ưu phanh dùng phần mềm ANSYS với mục tiệu đạt được mô men phanh mong muốn với phanh có khối lượng nhỏ nhất. • Để đánh giá và kiểm chức kết quả tính toán tối ưu, phanh mẫu được chế tạo và kiểm nghiệm.2 Phương pháp nghiên cứu • Phương pháp phân tích tổng quan và kế thừa. • Phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán từ trường của phanh.
• Phương pháp giải tích để tính toán mô men phanh. • Phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng và đánh giá.3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài • Kết quả nghiên cứu sẽ tạo ra các loại phanh MRF mới có nhiều tính ưu việt hơn, có khả năng ứng dụng thực tế cao hơn. • Tạo ra một loại phanh mới nhỏ gọn hơn,mô men phanh cao hơn • Với kết cấu nhỏ gọn, mô men phanh cao hơn loại phanh này sẽ có nhiều ứng dụng thực tế hơn như trong các rô bốt, trong các hệ thống phản hồi lực hoặc trong các xe máy, xe đạp điện… 1.6 Giới thiệu lưu chất MRF Lưu chất MRF (Magneto Rheological Fluid) là một vật liệu thông minh (Smart Materials) được sử dụng trong kỹ thuật ,các tính chất lưu biến như độ nhớt, ứng suất chảy dưới tác dụng của từ trường làm thay đổi. Lưu chất có khả năng biến đổi trạng thái lỏng sang dạng trạng thái sệt (Semisolid) khi có từ trường tác dụng lưu chất.
MRF được phát minh vào năm 1940 [1] bởi J. Đến 1990 thì MRF mới được ứng dụng và phát triển trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp (ôtô, quang học, điện - điện tử, robot) ,hàng không vũ trụ, quốc phòng, y học, trong các môi trường khắc nghiệt. MRF có các thành phần chính: chất lỏng nền, hạt từ tính phân cực và chất phụ gia. Các hạt từ tính phân cực có vai trò cơ bản trong các hiệu ứng của từ trường tác dụng 4 lên lưu chất.
Vì sự lắng đọng của hạt từ tính làm ảnh độ nhớt, ứng suất của MRF, để ngăng sự lắng đọng các hạt từ chất phụ gia được dùng [2, 3]. Tính lưu biến phụ thuộc vào các yếu tố biến đổi khác nhau như tỷ trọng hạt từ , loại hạt từ, mật độ các hạt từ , cường độ từ trường, nhiệt độ, chất lỏng nền và chất phụ gia [4.Từ trường đi qua lưu chất làm thay đổi tính lưu biến của MRF như độ nhớt, tính đàn hồi hay tính dẻo của MRF. Khi từ trường đi qua lưu chất thì các đặc tính của MRF được biểu diễn qua mô hình Bingham [5].1 Đặc điểm của MRF 1.1 Thành phần của MRF MRF gồm 2 thành phần chính : hạt từ tính (1), chất lỏng nền (2) ngoài ra còn các chất phụ gia được thể hiện bởi Hình 1.2 Thành phần chính của MRF • Các hạt từ tính của MRF: Các loại hạt từ thường sử dụng như sắt, hợp kim sắt, cacbua sắt, sắt carbonyl, oxit sắt, nitrat sắt, niken và coban [6, 7]. Trong đó hạt sắt carbonyl thường được sử dụng để chế tạo MRF.
Ứng suất cực đại khi cường độ từ trường tác dụng vào MRF làm cho bão hòa từ của các hạt từ tính lớn nhất và không đổi. Bột sắt carbonyl có độ tinh khiết cao được xem là thành phần từ tính chính cho hầu hết các sản phẩm MRF [8]. Các hợp kim FeCo và hợp kim FeNi được sử dụng làm hạt từ, nhờ vậy Fe góp phần vào bão hòa từ cao. Ngược lại, một số vật liệu sắt từ như Mn-Zn Ferrite, Ni-Zn Ferrite có bão hòa từ thấp nên chỉ thích hợp cho các ứng dụng ứng suất thấp [6].
Kích thước hạt từ tính thường nằm trong khoảng 0,1-10 μm. 5 • Chất lỏng nền: Chất lỏng nền trong MRF có thể là diesters, polyoxyalkylen, silic fluoride, dầu silicon, dầu khoáng, dầu parafin, dầu thủy lực, chất lỏng hữu cơ như halogen, nước và dầu hydrocarbon tổng hợp [7]. Trong các nguyên cứu trước đây, các nhà phát minh đã dùng các hạt từ tính phân tán trong dầu hydrocarbon [9] là chất lỏng, chất làm mát, dầu mỡ bán rắn [1] và dầu Silicon, chất lỏng Clo, Fluoride [10]. Khi các hạt từ tính lắng đọng thì sự đáp ứng của MRF bị giảm đáng kể.
Để giảm sự lắng đọng các sản phẩm mới của MRF xem xét trên các pha liên tục của độ nhớt [11] từ đó độ ổn định được cải thiện rất nhiều. Một MRF hỗn hợp đã được giới thiệu bởi Pan và các cộng sự [12], với sự kết hợp của gelatine, hạt sắt và chất lỏng nền. Họ đã chỉ ra rằng các đáp ứng của MRF vượt trội hơn với hỗn hợp chỉ dùng carbonylpowder sắt nguyên chất. • Chất phụ gia: Chất phụ gia thêm vào nhằm làm giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trong MRF [13][14].
Khi sự lắng đọng của MRF tăng lên thì dưới tác động của ứng suất cao và tốc độ trượt cao trong một thời gian dài làm cho chất lỏng sẽ đặc lại [15].